KIGAM 한국지질자원연구원

바다에서 형성된 탄산염암

탄산염광물(炭酸鹽鑛物, carbonate mineral)은 말 그대로 결정구조내에 탄산이온(CO32-)을 포함하는 광물이다. 자연적으로 흔한 탄산염광물로는 탄산칼슘(CaCO3)성분의 방해석과 아라고나이트, 그리고 탄산칼슘 마그네슘(CaMg(CO3)2)성분의 돌로마이트가 있다. 탄산염암은 이러한 탄산염광물로 주로 구성된 암석을 의미하는데, 방해석을 주성분으로 하는 탄산염암은 석회암이라고 하며, 돌로마이트를 주성분으로 하는 탄산염암은 특이하게도 광물명과 마찬가지로 돌로마이트라고 하는데, 혹자는 광물명과 구분하기 위해 돌로스톤(dolostone)이란 암석명을 사용하기도 한다.

대부분 석회암은 따뜻하고 깨끗한 열대지방의 얕은 바다에서 생물학적 혹은 생화학적 작용에 의해 형성되기 시작한다. 이곳에 사는 산호, 조개, 각종 조류 등 다양한 생물체들은 보호용 패각(껍질)이나 몸체를 만들기 위해 해수에 용존되어 있는 칼슘이온(Ca2+)과 탄산이온(CO32-)을 뽑아내어 방해석이나 아라고나이트와 같은 탄산칼슘 물질을 만든다. 일부 방해석은 무기적으로 화학적인 침전에 형성되기도 한다. 이들도 역시 열대지방의 얕은 바다에 형성되는데, 이는 높은 수온으로 인해 이산화탄소(CO2)의 탈기(脫氣:degassing)가 쉽게 일어나 탄산칼슘(CaCO3)의 침전이 용이하기 때문이다. 석회암은 이렇게 만들어진 탄산칼슘 물질이 쌓이고 굳어져 만들어진다.

돌로마이트는 석회암과는 다른 방식으로 만들어진다. 돌로마이트는 주로 퇴적 초기의 탄산칼슘 물질, 즉 방해석 성분이 바닷물의 증발이나 민물과 바닷물의 혼합에 의해서 바닷물에 비해 상대적으로 마그네슘이온(Mg2+)이 풍부해진 물과의 반응에 의해 돌로마이트로 변환되면서 만들어진다. 따라서 돌로마이트는 주로 바닷물과 민물이 만나거나 바닷물의 증발이 심한 바닷가 환경에서 형성되는 경우가 흔하다. 탄산염암은 비록 양이 적기는 하지만 동굴이나 광천(鑛泉) 등과 같이 민물이 우세한 육상 환경에서도 형성될 수 있다.

탄산염암의 분포 · 구성 · 분류

탄산염암은 선캄브리아시대에서 현생에 이르는 모든 지질시대를 통해서 형성되었으며, 모든 대륙에서 흔하게 관찰된다. 우리나라에서 탄산염암은 캄브리아기에서 오르도비스기 사이에 퇴적된 조선누층군의 상당 부분을 구성하고 있으며, 이들은 주로 강원도 태백산분지와 평안남도 평남분지에 분포하고 있다.

탄산염암 중 석회암은 사암 등 다른 퇴적암과 마찬가지로 암석의 뼈대를 이루는 탄산염 입자(carbonate grain), 입자들 사이의 기질(matrix), 그리고 이들 사이를 채우면서 뭉치게 하는 교결물(cement)로 구성된다. 석회암을 구성하는 입자로는 성인 및 특성에 따라 우이드, 펠로이드, 인트라클라스트 및 생물 파편으로 구성된다. 석회암의 분류는 이러한 입자들의 종류, 입자들 간 상대적 비율, 기질과 교결물의 상대적인 비율 등에 따라 매우 다양하게 분류될 수 있다. 돌로마이트는 석회암과는 달리 주로 결정 형태와 돌로마이트화 정도에 따라 분류하는데, 이는 석회암이 돌로마이트로 전환하는 과정에서 일차적인 조직이 대부분 파괴되기 때문이다.

탄산염암과 물의 만남, 카르스트 지형

탄산염암, 특히 석회암은 다른 암석에 비해서 물에 녹기 쉬운 특성을 지니고 있어, 빗물 등에 의한 용식작용(dissolution)을 쉽게 받아 독특한 지형을 형성한다. 이를 가리켜 카르스트라고 한다. 카르스트의 대표적인 예로는 석회동굴, 돌리네, 우발라 등이 있다. 카르스트를 형성하는 주요 산(酸)은 탄산인데, 이는 빗물이 대기를 통과하면서 대기 중의 CO2를 빗물 속에 녹이는 방식으로 만들어진다. 탄산을 포함한 빗물이 지면에 떨어지고 토양을 통과하면서 이들은 더 많은 양의 CO2를 공급받아 보다 강한 산성을 띠게 되고 궁극적으로는 석회암을 용해시킨다. 석회암 용해작용의 주요 반응은 다음과 같다.

H2O + CO2 → H2CO3

CaCO3 + H2CO3 → Ca2++ 2HCO3-

생활에서의 탄산염암 활용

석회암을 포함한 탄산염암은 오래전부터 매우 유용한 생활자원으로 활용되어 오고 있다. 석회암은 포틀랜드 시멘트의 주원료로 사용되고 있으며, 그밖에도 제철, 제강, 건설, 농업, 축산, 식품, 의약, 폐수처리 등 다양한 산업 분야에서 활용되고 있다. 석회암은 블록으로 자르기 쉽고, 조각하기에도 양호하며, 내구성도 양호하여 고대에서 현대에 이르기까지 건축자재로도 매우 유용하게 활용되고 있다.

대표적인 예로 이집트 기자 지구의Great Pyramid는 전체가 석회암으로 구성되어 있으며, 캐나다 온타리오주 킹스턴 시는 도시 전체적으로 석회암 건물이 주를 이루어 ‘limestonecity’라 불린다. 우리나라의 경우에는 원각사 10층 석탑이 석회암으로 만들어져 있다. 또한, 석회암은 건축 내장재로도 널리 활용되고 있는데, 고급호텔이나 공공건물의 바닥이나 벽에 자주 사용되는 소위 ‘이태리 대리석 타일’로 알려진 건축 내장재는 대부분 석회암으로 이루어져 있다.

산업화시대 경제성장의 초석

우리는 흔히 석유와 천연가스 대부분이 사암과 같은 쇄설성 퇴적암에서 생산되는 것으로 인식하고 있지만, 우리가 생각하는 것보다 훨씬 많은 양의 석유와 천연가스는 탄산염암으로부터 생산된다. 탄산염암은 전체 퇴적암의 약 15%에 불과하지만, 세계 석유의 약 60%와 세계 가스의 약 40%가 탄산염암에 저장되어 있다. 특히 석유와 가스가 풍부한 중동지역의 경우 원유의 70% 및 가스의 약 90%가 탄산염암에 저장되어있다.

탄산염암은 또한 각종 금속광상의 모암으로도 매우 중요하다. 탄산염암이 열수변질작용을 받으면 납, 아연, 중석, 동 등과 같은 금속원소를 포함하는 광체가 만들어진다. 우리나라의 태백산 광화대에 분포하는 상동광산, 연화광산, 장군광산 등이 탄산염암 내에 발달한 스카른광상의 대표적인 예이다. 1960년대 상동광산에서 생산된 중석광이 당시 대한민국 수출의 60%를 차지하고 동시에 당시 시멘트 제조업이 가장 중요한 국내 기간산업이었음을 고려해 보면 우리나라는 알게 모르게 산업화 초기에 탄산염암의 덕을 톡톡히 보았다고 할 수 있을 것이다.

지구에 존재하는 초대형 CO2 은행

우리는 현재 화석연료의 과다사용으로 인한 대기 중 CO2농도의 급격한 증가로 지구온난화를 비롯한 각종 기후변화를 겪고 있다. 지질학자의 눈에서 기후변화를 한번 살펴보자. CO2는 어디에서 왔다가 어디로 가는가? 과거 지질시대에는 대기 중 CO2의 변화가 없었을까? 대기 중 CO2가 늘어나면 어떤 일이 발생할까? 먼저 지구상에서의 탄소순환에 대해 알아보자. 지구상에서 탄소는 CO2를 포함한 다양한 형태로 계속해서 변화하면서 각종 권역을 넘나든다.

대기권에서 CO2는 기체의 상태로 존재하지만, 이들이 빗물이나 바닷물에 녹게 되면 수권으로 들어가 액체속의 탄산이온(CO32-)으로 존재한다. 물속에 녹아 있던 탄산이온은 적절한 조건하에서는 생물의 도움을 받거나 혹은 화학작용에 의해 탄산칼슘(CaCO3)으로 대표되는 탄산염으로 고체화되는데, 이것이 바로 탄산염암이다. 탄산염암은 생성 초기에는 지표근처에 있지만, 시간이 지나면서 점차 매몰되어 지각의 일부, 즉 암석권을 구성하게 된다. 한편, 일부 CO2는 식물의 광합성을 통해 고체 유기물의 형태로 생물권으로 들어간다. 생물권으로 들어온 고체 유기물이 시간이 지나면서 지하 깊은 곳에 매몰되면 석유, 석탄 등과 같은 화석연료가 된다.